Energy and economic optimization of an innovative system based on hybrid photovoltaic/thermal modules with solar-assisted heat pump

In the Italian context, the photovoltaic technology plays a key role in the development of the distributed energy generation, with reference to potential applications in the household sector. Solar energy is currently the only renewable resource available enough to cover, through a delocalized production, a large-scale electric and thermal energy needs of buildings. The fall in prices of the raw materials in the last few years allowed the PV to become a more and more competitive solution in the market and this trend will be able to ensure, in the next years, new investments in this sector. The propagation must be improved in the household sector, offering integrated solar systems capable to generate higher benefits for the small consumer: the integration of a heat pump with the hybrid solar collector (PVT-SAHP) could be a cost-effective solution. It is important to highlight that the heat pump’s cooling effect of the refrigerant side simultaneously enhances the PVT efficiency and effectively improves the coefficient of performance COP. Moreover, solar heat pump can collect energy not only from solar radiation, but also from ambient air; it can operate even at night or in totally overcast conditions. In particular, the thesis has the aim to develop an integrated system designed to cover the HVAC and DHW needs from solar energy with a PBT of about 10 years in order to design a solution able to enter in the market without any subsidies. The purpose of the work has been reached maximizing the system efficiency, generating a reduction of both the investment and the variable costs, by means of some factors such as, a simple design, the maximization of solar energy conversion, the reduction of the electricity exchange with the grid and the capability to follow the heating/cooling load. Moreover, high quality of architectural integration has been requested Moreover, the software TRNSYS17 has been used to simulate the energy performances of different configurations and to obtain the optimum of the key parameters.

Nel contesto italiano, la tecnologia fotovoltaica gioca un ruolo chiave per il possibile e necessario sviluppo di una generazione di energia delocalizzata, con particolare riferimento al suo potenziale se applicato nel settore residenziale. L’energia solare è attualmente l’unica risorsa rinnovabile disponibile in quantità sufficienti per coprire, con una produzione delocalizzata, la domanda elettrica e termica degli edifici su grande scala. La caduta dei prezzi della materia prima negli ultimi anni, ha reso la tecnologia fotovoltaica sempre più competitiva sul mercato mondiale e questo andamento incoraggia nuovi investimenti in questo settore. La diffusione dell’utilizzo del fotovoltaico deve essere incentivata, nel settore residenziale, offrendo nuove soluzioni capaci di generare sempre maggiori benefici sia energetici che economici anche ai più piccoli consumatori: l’integrazione di una pompa di calore con un pannello solare ibrido (PVT-SAHP) può rappresentare una soluzione economicamente competitiva. È importante sottolineare l’incremento prestazionale delle due soluzioni se combinate, la pompa di calore può estrarre il calore necessario per riscaldare l’interno di un edificio dall’energia termica messa a disposizione dal pannello ibrido PVT, permettendo un miglioramento nelle prestazioni sia del modulo fotovoltaico che in quelle della pompa di calore. Inoltre la soluzione proposta, integrando nel sistema uno scambiatore ad aria, permetta al sistema di lavorare anche di notte o in qualsiasi tipo di condizione critica. In particolare, la tesi ha lo scopo di sviluppare un modello di sistema integrato progettato per coprire sia il riscaldamento/raffrescamento dell’edificio che la domanda di acqua calda sanitaria con un investimento iniziale che presenti un PBT di circa 10 anni, senza l’utilizzo di incentivi. Lo scopo della ricerca volge a raggiungere la massima efficienza del sistema, riducendo al minimo i costi attraverso un design semplice, massima conversione solare, minimo interscambio con la rete, forte capacità ed elasticità nel seguire i carichi richiesti garantendo comunque un alto livello di integrabilità architettonica-strutturale. Il software TRNSYS17 è stato utilizzato per calcolare le prestazioni energetiche delle diverse configurazioni studiate e per ottenere l’ottimo dei parametri fondamentali richiesti.